數(shù)字頻率計(jì)的課程設(shè)計(jì)

1、引 言近年來，在電子技術(shù)中,頻率是最基本的參數(shù)之一,并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系,因此頻率的測量就顯得更為重要.在電子系統(tǒng)非常廣泛應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。供消費(fèi)用的微波爐和電視、先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過程中無一不用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。數(shù)字集成電路具有結(jié)構(gòu)簡單（如其中的晶體管是工作于飽和與截止2種狀態(tài)，一般不設(shè)偏置電流）和同類型電路單元多（如一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)需要很多同類型的觸發(fā)器和門電路）的特點(diǎn)，因而容易是高集成度

2、和歸一化。由于數(shù)字集成電路與電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密相關(guān)，因而發(fā)展很快，目前已是集成電路中產(chǎn)量最高、集成度最大的一種器件。集成電路的類型很多，從大的方面可分為模擬和數(shù)字集成電路兩大類。雖然它們都可模擬具體的物理過程，但其工作方式有著很大的不同。甚至可能完全不同。電路中的工作信號通常是用電脈沖表示的數(shù)字信號。這種工作方式的信號，可以表達(dá)2種截然不同的現(xiàn)象。如以有脈沖表示“1”，無脈沖便表示“0”；以“1”表示“真”，則“0”便表示“假”，等等。反之亦然。這就是“數(shù)字信號”的含義。所以，“數(shù)字量”不是連續(xù)變化的量，其大小往往并不改變，但在時(shí)間分布上卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個(gè)特點(diǎn)。數(shù)字式頻率計(jì)

3、基于時(shí)間或頻率的A/D轉(zhuǎn)換原理，并依賴于數(shù)字電路技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的數(shù)字測量儀器。由于數(shù)字電路的飛速發(fā)展，所以，數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展也很快。通常能對頻率和時(shí)間兩種以上的功能數(shù)字化測量儀器，稱為數(shù)字式頻率計(jì)(通用計(jì)數(shù)器或數(shù)字式技術(shù)器)。在電子測量技術(shù)中，頻率是一個(gè)最基本的參量，對適應(yīng)晶體振蕩器、各種信號發(fā)生器、倍頻和分頻電路的輸出信號的頻率測量，廣播、電視、電訊、微電子技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。1 概述1.1 數(shù)字頻率計(jì)概述數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測

4、量正弦信號，方波信號及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。1.2 數(shù)字頻率計(jì)的基本原理頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為1秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門時(shí)間越長，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時(shí)間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時(shí)間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變

5、化的信號。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎梢詫Χ喾N物理量進(jìn)行測試，比如機(jī)械振動(dòng)的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。2 數(shù)字頻率計(jì)的原理電路的設(shè)計(jì)2.1 基本設(shè)計(jì)原理與方案 數(shù)字頻率計(jì)的基本設(shè)計(jì)原理基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測量。所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測

6、得這個(gè)周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時(shí)間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號來到時(shí)，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。 數(shù)字頻率計(jì)的整體電路設(shè)計(jì)方案數(shù)字頻率計(jì)主要由4個(gè)基本單元組成：可控制的計(jì)數(shù)鎖存、譯碼顯示系統(tǒng)、石英晶體振蕩器及多級分頻系統(tǒng)、帶衰減器的放大整形系統(tǒng)

7、和閘門電路。該原理電路我們將設(shè)計(jì)4個(gè)基本單元電路，而后利用四個(gè)基本單元電路繪制整機(jī)框圖，畫出總電路圖，并且對電路圖進(jìn)行原理分析，利用Multisim、Protel軟件進(jìn)行繪制原理圖和仿真模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄調(diào)試分析的結(jié)果。2.2 單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如圖11-1-1所示。他主要由5個(gè)模塊組成，分別是：脈沖發(fā)生器電路、測頻控制信號發(fā)生器電路、計(jì)數(shù)模塊電路、鎖存器、譯碼驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，脈沖發(fā)生器提供的1 Hz的輸入信號，經(jīng)過測頻控制信號發(fā)生器進(jìn)行信號的變換，產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號，被測信號通過信號整形電路產(chǎn)生同頻率的矩形波，送入計(jì)數(shù)模塊，計(jì)數(shù)模塊對輸入的矩形波進(jìn)行計(jì)數(shù)，

8、將計(jì)數(shù)結(jié)果送入鎖存器中，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路將二進(jìn)制表示的計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的能夠在七段數(shù)碼顯示管上可以顯示的十進(jìn)制結(jié)果。在數(shù)碼顯示管上可以看到計(jì)數(shù)結(jié)果。 2.2.1 放大整形電路放大整形電路由晶體管9014和74LS00等組成。其中9014組成放大器將輸頻率為的周期信號如正弦波 三角波等進(jìn)行放大。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。由于輸入的信號幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會(huì)把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設(shè)計(jì)中采用了這個(gè)信號調(diào)理電路對輸入的波形進(jìn)行阻抗變換、放大限

9、幅和整形，信號調(diào)理部分電路具體實(shí)現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如圖1所示： 圖1放大整形電路圖2.2.2 石英晶體振蕩器（1） 石英晶體振蕩器原理 若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場。一般來說，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅是比較小的，其振動(dòng)頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。（2） 石英晶體振蕩器的電路圖 石英晶體

10、具有優(yōu)越的選頻性能。將石英晶體引入普通多諧振蕩器就能構(gòu)成具有較高頻率穩(wěn)定性的石英晶體多諧振蕩器。我們知道，普通多諧振蕩器是一種矩形波發(fā)生器，上電后輸出頻率為的矩形波。根據(jù)傅里葉分析理論，頻率為的矩形波可以分解成無窮多個(gè)正弦波分量，正弦波分量的頻率為（），如果石英晶體的串聯(lián)諧振頻率為，那么只有頻率為的正弦波分量可以通過石英晶體（第個(gè)正弦波分量，），形成正反饋，而其它正弦波分量無法通過石英晶體。頻率為的正弦波分量被反相器轉(zhuǎn)換成頻率為矩形波。因?yàn)槭⒕w多諧振蕩器的振蕩頻率僅僅取決于石英晶體本身的參數(shù)，所以對石英晶體以外的電路元件要求不高。用反相器與石英晶體構(gòu)成的振蕩電路如圖2所示。利用二個(gè)非門U1

11、A、U2A自我回饋，使它們工作在線性狀態(tài)，然后利用石英晶體JU來控制振蕩頻率，同時(shí)利用電容C1來作為二個(gè)非門之間的耦合，二個(gè)非門輸入和輸出之間并接的電阻R1和R2作為負(fù)反饋組件用，由于回饋電阻很小，可以近似認(rèn)為非門的輸入和輸出的壓降相等。電容C2是為了防止寄生振蕩。例如：電路中的石英晶振頻率是4MHZ，則電路的輸出頻率為4MHZ。 圖2-石英晶體振蕩電路2.2.3 分頻器 由于石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒脈沖，就需要分頻電路。例如，振蕩器輸出4MHZ的信號，通過D觸發(fā)器（74LS74）（圖3）進(jìn)行4分頻變成1MHZ，然后送到10分頻計(jì)數(shù)器（74LS90，該計(jì)數(shù)器可以用8421碼制，也

12、可以用5421碼制），經(jīng)過六次10分頻而獲得1HZ的方波信號作為秒脈沖信號。圖3-74LS74四分頻電路圖4-分頻器輸出波形2.2.4 閘門電路與邏輯控制電路（1） 閘門電路閘門電路的作用是控制計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。是由與門組成，該電路有二個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，輸入端的一端接門控信號，另一端接整形后的被測方波信號。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號（1s正脈沖）來到時(shí)，閘門開通，即門控信號為高電平“1”時(shí)，此時(shí)被測信號的脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；而門控信號為低電平“0”時(shí)，閘門關(guān)閉 ，計(jì)數(shù)器無時(shí)鐘脈沖輸入。可見，門控信號的寬度一定時(shí)，閘門的輸出值正比于被測信號的頻率，通過計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)把閘門的輸出結(jié)果顯示出來，就可以

13、得到被測信號的頻率。（2）邏輯控制電路在時(shí)基信號結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的負(fù)跳變用來產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號的負(fù)跳變又用來產(chǎn)生清零信E，脈沖信號和清零信號可由雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時(shí)間常數(shù)決定。根據(jù)tw=0.7Rext×Cext可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)。這樣當(dāng)脈沖從74221 的1腳輸入可以產(chǎn)生鎖存信號和清零信號，其要求剛好滿足D和E的要求。當(dāng)手動(dòng)開關(guān)S按下時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。由二塊74221芯片組成的邏輯控制電路 脈沖形成電路（1） 電路原理及電路圖脈沖形成電路的作用是將輸入的周期性信號，如正弦波、三角波或者其他呈周期性變化的波形變換成脈沖波，其周期不變。將其他波形變換成脈

14、沖波的電路有很多種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等，采用集成555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電路如圖5所示。 圖5-集成555芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路及仿真結(jié)果（2）仿真結(jié)果分析及結(jié)論仿真結(jié)果分析及其結(jié)論：555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是負(fù)脈沖觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出為低電平，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出為高電平，且其在暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間僅與電路本身的參數(shù)R、C有關(guān)，與外界觸發(fā)脈沖的幅值和寬度有關(guān)。 時(shí)基電路此電路由555定時(shí)器組成一個(gè)多諧振蕩器，要求產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號（高電平持續(xù)時(shí)間為1s），振蕩器的頻率f=1/(t1+t2)=0.8Hz，其中t1=1S，t2=0.25S由公式t1=0.7(R1+R2C)

15、和t2=0.7R2C因此，我們可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)通過計(jì)算確定了R1取47K歐姆，R2取39K歐姆，電容取10F。再加入一個(gè)100K的可變電阻，來改變電路占空比。這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。如圖6所示。圖6-時(shí)基電路 鎖存器鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。1s計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)束時(shí)，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號IV，將些時(shí)計(jì)數(shù)器的值送譯碼顯示器。選用兩個(gè)8位鎖存器74LS273可以完成上述功能。當(dāng)鎖存信號CP的正跳變來到時(shí)，鎖存的輸出等于輸入，從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。高電平結(jié)束后，無論D為何值，輸出端的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變。所以

16、在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器.電路連接圖如圖7所示。 圖7-鎖存器連接電路圖 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器是按十進(jìn)制計(jì)數(shù)的。需要注意的是，如果在系統(tǒng)中不接鎖存器，則顯示器上的顯示數(shù)字就會(huì)隨計(jì)數(shù)器的狀態(tài)不停變化，只有在計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)時(shí)，顯示器上顯示的數(shù)字才能穩(wěn)定，所以，計(jì)數(shù)器后面必須接入鎖存器。計(jì)數(shù)器的作用是對輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高測量頻率為 9999Hz ，應(yīng)采用 4 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器?？梢赃x用現(xiàn)成的用74LS90芯片集成的 10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器(如圖8所示)。圖8-74LS90芯片集成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 譯碼器與顯示器（1） 譯碼器 本設(shè)計(jì)采用的是由74LS48芯片集成的譯碼器（圖9）。圖9

17、-74LS48芯片集成的譯碼器電路圖（2） 顯示系統(tǒng)發(fā)光二極管(LED)由特殊的半導(dǎo)體材料砷化鎵、磷砷化鎵等制成，可以單獨(dú)使用，也可以組裝成分段式或點(diǎn)陣式LED顯示器件(半導(dǎo)體顯示器)。 分段式顯示器(LED數(shù)碼管)由7條線段圍成8字型，每一段包含一個(gè)發(fā)光二極管。外加正向電壓時(shí)二極管導(dǎo)通，發(fā)出清晰的光，有紅、黃、綠等色。只要按規(guī)律控制各發(fā)光段的亮、滅，就可以顯示各種字形或符號。 LED數(shù)碼管有共陽、共陰之分。圖10(a)是共陰式LED數(shù)碼管的原理圖，圖10(b)是其表示符號。使用時(shí)，公共陰極接地，7個(gè)陽極ag由74LS48集成的七段譯碼器來驅(qū)動(dòng)(控制)，如圖10(c)所示。圖10-數(shù)字顯示譯碼器2.3 數(shù)字頻率計(jì)的完整電路圖及基本原理（1） 數(shù)字頻率計(jì)完整電路圖數(shù)字頻率計(jì)由4個(gè)基本單元組成；可控制的計(jì)數(shù)鎖存、譯碼顯示系統(tǒng)，石英晶體振蕩器及多級分頻系統(tǒng)，帶衰減器的放大整形系統(tǒng)和閘門電路。經(jīng)過前面章節(jié)的分析設(shè)計(jì)，得出數(shù)字頻率計(jì)的完整電路圖（圖11）如下。 圖11-數(shù)字頻率計(jì)完整電路圖（2） 數(shù)字